【Michelson-fp复合型干涉仪的原理及传感实验研究12000字（论文）】

Michelson-fp复合型干涉仪的原理及传感实验研究TOC\o"1-3"\h\u107541.绪论 184721.1光纤传感器的发展 1286951.2集成式光纤干涉仪 2188852.集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪的基本原理 4323652.1光纤Michelson干涉仪的基本原理 467332.2光纤F-P干涉仪的分类 6236393.光纤Michelson-FP复合型干涉仪的制作与仿真 7193693.1基于双芯光纤的Michelson干涉仪的制作 8148693.2非本征型光纤F-P干涉仪的设计制作 11254994.光纤Michelson-FP复合型干涉仪的传感特性实验 14191604.1弯曲传感特性测量 14253784.2温度传感特性测量 201011结论 2110602参考文献 23摘要：由于它的高准确率和对EMI的抗性；它具有耐恶劣环境、体积小等特点，在许多方面迅速发展并应用于建筑健康监控等方面。光纤传感技术的发展趋势是全光纤、集成化、多参量等。本文介绍了目前国内外对纤维传感系统的集成和多参数检测技术的研究状况，并结合了几种常用的集成光纤传感系统和多参数测控系统的设计实例，对其优点和不足进行了比较。纤维米歇尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪是两种高分辨率、高动态响应范围和广泛应用的干涉仪。采用双芯模的米歇尔逊干涉计对挠度的改变非常敏感，而非特性型F-P干涉计可以实现对轴向变形的检测。采用了一种将以上两种光纤干涉技术整合在一条纤维中的Michelson-FP复合干涉计，实现了对纤维的弯曲和轴向的实时检测。本文对光纤米歇尔逊干涉仪和纤维F-P干涉器的工作机理进行了深入的探讨，并将其与双光路干涉器的干涉法进行了深入的探讨。本文主要阐述了两类光纤干涉计的总体构造及工作原理。采用双光路干涉仪进行了复合干涉仪的研究，导出了复合干涉仪的干涉仪干涉仪的干涉仪的干涉法。设计和研制了一种新型的微光学纤维-FP复合干涉计的系统。采用两种不同类型的光纤，制备了一种新型的米歇尔逊干涉干涉计，将其与单模光纤相结合，形成了一种新型的F-P腔体。模拟了合成的干扰谱，并对其进行了空间频域分量的计算。利用FFT转换法求出了一种复合干扰的空间频谱，并根据该方法在两种干扰信号中的空间频谱和路径差异之间的相互影响，识别出其中两个灵敏度成分的空间频谱，并对其它成分进行过滤等方法，获得二值化的条纹。试验结果表明，采用两个参数的方法可以实现一体化的Michelson-FP复合干涉计的检测。对复合纤维干涉计进行了测量、应变测量和测量了其表面的温度测量。在分析和加工试验资料时，选取了两种不同的干涉条纹，并分析比较了两种干涉条纹的偏移性。试验资料的处理表明，所选取的两个元件对弯矩及轴向应变均无交变反应，证明了复合纤维干涉计在两个参数下的感应性能。关键词：干涉型光纤传感器；集成式光纤干涉仪；双参量测量；双芯光纤；FFT

绪论因为纤维的损耗很小；由于其高的传送速度和高的特性，使得它被广泛地用于光纤通讯，从而使光纤通信行业迅速发展。在光导纤维中，以光波的方式传播，使其不易被外部环境所干扰，从而使纤维成为一种新型的传感材料。由于其体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，使得其迅速发展。目前，光纤传感技术发展到今天，主要的工作是改进其器件的集成性和多功能性。1.1光纤传感器的发展作为一种被广泛使用的测量设备，它在工业生产和生产中扮演着非常关键的作用。这是光纤应用和光通讯技术发展的产物，由于其优良的性能，受到了广泛的关注。首先，采用非金属材料制成的光导光纤，使得其能够抵抗EMI、隔离；其次，光导纤维的二氧化硅成份使得光纤传感具有耐腐蚀性，能够在任何严酷的工作条件下工作；此外，光导光纤具有较好的构造；它具有头发般的纤度，能够完成光学路径的弯折，从而使得纤维的尺寸变得更小巧；远距离测量；此外，纤维感测器对各种物理和化学现象都有较强的响应能力，因而得到了广泛的使用。这就是纤维传感相对于常规传感而言的特别之点。纤维传感可分为两大类型：无功能性和功能性。在非功能性器件中，光纤只用于传递光，它的探针是采用其它的灵敏材质制成的，它可以从纤维上接受或者把测量参数的数据输入到纤维中，然后通过纤维传递到检波器；在功能型中，纤维既可以传递光，又可以作为一个灵敏的器件。当被测量的参数被施加在纤维上，它会产生振幅、相位、频率或偏振态等的特性参数，这时，这些参数就会被装入到纤维中，然后再经过纤维的传递，最终被送至检波器等器件，再由检波器接收的数据进行解调，从而获得待测参数的相关参数。1.2集成式光纤干涉仪针对光学纤维元件的集成化、小型化要求，各种光学元件的组合型、组合型光纤干涉计的设计与实现，极大地改善了光纤通信系统的工作效率。此外，由于采用了多芯光纤和光子晶体纤维，可以将各种不同的光纤干涉技术整合在一起，形成传感器、滤波器和调制元件，实现了较高的集成性和较大的用途。基于米歇尔逊空间干涉仪的基本理论，首次研制出一种光纤米歇尔逊干涉仪，它是用两条纤维和一根纤维耦合，两条纤维作为光源的输入方和干扰检测的接收方，在其基准臂部和感应臂部末端装有一种涂层或布拉格格栅。与其它干涉计相比，光纤米歇尔逊干涉仪有一个显著的区别：由耦合器分离出的两个光线刚好在一个耦合器内发生干扰。因此，在光纤传感系统中，米歇尔逊干涉计起到了举手之劳的重要作用。在1983，卡西亚普R.等首先介绍了一种采用单模全纤维Michelson干涉计的方法，它是利用调制的光信号来达到对相位差的校正，经试验证明，这种单模全纤维Michelson干涉计可以在超过1000公里的范围内进行光学检测，从而证实了这种新型的单模-米歇尔森干涉计的大范围应用。新世纪以来，光纤Michelson干涉仪有了长足的发展，TianZ.B通过在单模纤维内部拉长棱锥体，在纤维的端部涂覆一层金薄膜，制成了一种更为简易的光导纤维Michelson干涉仪，它采用了一种新型的单纤维米歇尔逊干涉仪，而非双光路干扰，使得其不能保持较好的透明度和稳定性。RugelandP.等在2012开发了一个Michelson的干涉式高温高温度传感器，它采用了一种不均匀的双芯线纤维，见图1.1。未经加工的温敏元件在300℃范围内表现出良好的线性变形，长期的高温退火可以使其工作温度达700℃。然而，这种新型的不均匀双芯纤维与单模纤维之间的熔融耦合不可避免地会产生模式上的改变和相互干扰。图1.1非对称双芯光纤Michelson干涉仪除了在国内外的基础上，我国的科研人员在这一领域取得了重大的进展。2006年，哈尔滨大学苑立波等人采用了一种单模态纤维与一种双芯对称型纤维的熔化拉锥组成的米歇尔逊干涉计，调整其长度可以使干涉计的敏感度得到变化。本发明采用一种单模纤维和一种双芯型纤维结合，采用一种光纤法熔化锥形仪将一种新型的双芯型纤维与一种新型的双芯型纤维进行熔化，采用一种类似于两种不同的拉锥方式，采用一种光电CCD对其进行观察，当两种纤维在功率达到1:1时，将其拉入3dB，并在其末端涂覆一层薄膜作为镜子。从LD光源发出的光被引入一种单模纤维，通过3dB耦合点，再通过耦合点处的光学信号被检测器吸收，从而实现了与一条纤维相结合的Michelson干涉仪。利用该光纤光纤米歇尔逊干涉计，可以制造出许多传感器，如光纤位移传感器、曲率传感器、加速度传感器、液速传感器等。图1.2对称双芯光纤集成Michelson干涉仪在台湾联合大学陈建中，利用球状端面中空芯光导纤维，实现了一种多光程宽频带的Michelson干涉计。张建中等于2013年首次将熊猫型高双折射保偏光纤用作米歇尔逊干涉计的传感器，藉由追踪条纹反差与波长的漂移，以完成对温度与折射率的同步测定，得到的结果是-30.1dB/RIU及-1.057nm/O。在2008年，饶云江团队用空心光子晶体纤维制造了一种新型的FPI型光纤传感器件，它采用一种新型的FPI型半导体激光器，通过在两片SMF中焊接一种新型的FPI型腔室，这种型腔的信号噪声比高，复用能力好，而且对温度无影响。在2012,MartaS.Ferreira等人设计了一种以环形结构为核心的光子晶体纤维为基础的F-P型压力传感器。龚元等人于2011年采用氢氟酸腐蚀蜡烛形多模多模纤维制成一种新型的线形复合光纤传感器。试验研究了用腐蚀蜡烛制成的多模纤维，一头与单模纤维进行了焊接，在一头进行了平面切削，得到了45dB/RIU的折射比。2.集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪的基本原理2.1光纤Michelson干涉仪的基本原理光纤米歇尔逊干涉计的基本构成见表2.1。通过3dB耦合器将该光源的光线分成两股，一股流入到信号臂纤维，一股流入基准臂纤维，两股光线在一根反射端表面后向后反射，通过两根纤维手臂的传递，在3dB的耦合器中会聚并产生干扰，检测器用以接受干扰光谱，而隔板则用以阻挡来自后向的反射光对该光源的作用。使干涉计基准臂在被测量的参数周围保持不动。在弯曲、轴向应变等外部参数的影响下，信号臂纤维的长度会发生变化，使两条光路之间的光程差异产生变化，从而使检测装置产生偏移性。通常采用干涉条纹的偏移来测定外界参数的变化。图2.1光纤Michelson干涉仪的基本结构将两光纤维的折射比设为n，在耦合器内部，两个反向的反射光强度为Is和Ir，利用双光束干涉原理得出了检波器上的复合干扰强度为：公式中，φ=2nk0(ls-lr)，表示两个光柱在干涉仪上的相位差，k0=2dI表示在真空中的传输常量，而λ表示干涉仪的入射率。在此基础上，采用了一种新型的光纤米歇尔逊干涉仪，其主要特点是：两个单独的单模纤维，由于其本身的非曲率性，使得制作的米歇尔逊干涉难以对外部的弯曲变形进行检测。为实现干涉计的灵敏度检测，采用双芯光纤作为一种新型的单芯型干涉干涉计，可以采用双芯对称双芯纤维的挠曲曲度灵敏的特点，制作出一种新型的单芯型米歇尔逊干涉计。在此基础上，采用单模和双芯的耦合圆锥结构取代了双芯光纤，以两个核心取代了两个单独的单模纤维，并将它们分别用作干涉测量的信号和基准。在弯矩效应方面，第二章一体化的Michelson-FP复合干涉计的工作原理Michelson干涉计的两条光程相差的改变，除了影响双芯光纤芯的长度外，还取决于光弹效对纤维的折射性影响，这二者之间的位差的改变可以转换为双芯纤维的挠曲曲率表达式。在采用双芯纤维的米歇尔逊干涉计进行曲率灵敏度测试时，采用了双芯纤维的弯矩长度为l，纤芯的折射系数为n，而由于弯矩的影响，两芯纤维的长度差异和折射系数差异的改变为条件。那么，两个波束相位差在耦合锥区上的干扰是这样的：式中δl/l为双芯光纤的轴向应变，根据双芯光纤纤芯对称分布的结构，有d为双芯光纤的纤芯间距，R为双芯光纤的弯曲半径。对于熔融的石英双芯光纤，两纤芯折射率差的变化可以表示为c=0.204。将式(2-3)和式(2-4)代入式(2-2)中可得在双芯纤维上，可以看到两个波段的相位差的改变8。在此基础上，采用双芯光纤构成的米歇尔逊干涉计，其对弯曲率的敏感度可以由调整双芯光纤的入射波长、双芯光纤的芯间距d、双芯光纤的挠曲效应长度l等来调整。2.2光纤F-P干涉仪的分类纤维法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉仪（Fabry-PerotInterfemeter）是一种利用FPI（Fabry-Perot）干涉仪（FPI）和一种非特征性纤维法布里-珀罗（Fabry-PerotInterfemeter）干涉仪（EFPI）和一种非特征性纤维法布里-珀罗（EFPI）。图2.2IFPI的典型结构图2.3EFPI的典型结构本征F-P干涉计具有两个反射器在纤维中的特性，光路始终被约束在纤维中，而在光束传输时，它不会产生绕射，所以可以任意选择F-P空洞的宽度。然而，由于两个反射器的透射率、反射率、损耗等因素难以得到准确的测量，因而难以得到符合需要的内部反射器。另外，由于外部因素会对两个反射面上的纤维的长度和折射系数产生一定的影响，从而使得光强度不再受一个参数的影响，从而在实际应用中给F-P光学特性带来了更大的困难。FP干涉法是一种比较先进、比较普遍的测量方法。其特征在于F-P空穴是由纤维末端的空隙组成的。采用双组单模纤维，对两根纤维的末端进行切削，并将它们同轴地包入一根毛细纤维中。与传统的F-P干涉相比，非本征性的F-P干涉计具有更好的调节空腔的长度；通过调整毛细纤维的Zo，可以调整干涉计的灵敏度；因为F-P腔是由一个气孔组成的，所以在外部的影响下，它的折射比几乎没有变化，所以它的光强值仅与腔长相关；采用同一类型的光纤光纤F-P干涉计，其导热延伸率会达到同样的程度，从而消除了由于热胀冷缩引起的空洞长度的改变。非本征型F-P光纤干涉计由于其独特的构造，使其在F-P腔中的光传递存在着较大的损失，且随着腔长的增加，其损失会增大，从而制约了F-P腔的尺寸；在实践中，F-P腔容易出现不可逆的伸长和凹腔末端的倾角，从而使干涉计失效。3.光纤Michelson-FP复合型干涉仪的制作与仿真与传统的Michelson干涉计的结构比较，采用双芯型的Michelson干涉计具有结构简单、结构简单、结构简单、结构简单、结构简单等特点。在干涉干涉计中，可以对信号臂和基准臂施加外力，使得干涉计易于进行弯矩的测定；两条手臂在同一纤维中，会受到诸如温度、震动等外界因素的干扰，从而防止由于不合适的情况而引起的光程差变化，从而确保了干涉仪的解调灵敏度和测量准确率。研制以双芯线为核心的集中式米歇尔逊干涉计，是制造一种新型的光纤米歇尔森-FP复合干涉计。非特征性FF-P干涉仪也表现出了较好的温控性能，而且在外部的压力下，F-P腔的折射率没有发生变化，使得干涉的相位只随着F-P腔长度的变化而发生变化。利用毛细纤维在两个平行的反射端面上形成一个非特征性的F-P空洞，可以得到一个稳定的结构，使得在使用过程中，不会出现不可逆的偏移和端侧的偏移，从而确保了干涉计的正确性和准确性。通过将双芯纤维Michelson干涉计与非特征性F-P干涉计的串联，实现了一种新型的Michelson-FP复合干涉计的研制。3.1基于双芯光纤的Michelson干涉仪的制作利用两个核心纤维组成的一体化Michelson干涉计，所采用的器件和器件有：单模纤维；光导纤维熔接机、1550nm波长的LD、氢氧焰纤维熔化拉锥机、显微镜、光谱仪等。选择一种具有对称的双芯型纤维，见附图3.1,（a）是一种双芯型纤维的剖视图，（b）是一种沿该中心线的折射性扫描曲线。该双芯型纤维具有125pm的外径、62.5微米的外径、62.5微米的间隔、8微米的纤维芯径、1.47的折射比、1.464（采用PK公司S14测定的折射近场方法）的双芯纤维的长度大约2.5米。图3.1对称结构的双芯光纤研制双芯纤维米歇尔逊干涉计，其关键技术是将单模纤维与双芯纤维之间进行熔融拉锥耦合，以实现单模纤维纤维内部的光分布。由于两根纤维之间的距离越接近，两根纤维之间就会产生光的耦合，因此，这种耦合就是由两根纤维的纤维之间产生的。采用单模和双芯纤维进行熔焊，可以将两种纤维的纤维间的间距尽量缩短，但是在这种情况下，两种纤维之间的间距对于双芯纤维的光学性能仍然有一定的影响。通过对两种不同类型的纤维进行熔化拉锥，可以将三根纤维的间隔进一步缩短，从而实现三根纤维之间的模场交迭，从而达到两根纤维的两根纤维和一根纤维之间的微弱耦合。当锥区到达一定的长度后，光的功率在两个芯线之间产生了最大值，这段时间，随着光的强度的增加，两个芯子之间的光功率也会发生波动。偶联试验装置示意图如图3.2所示。图3.2SMF与TCF的耦合实验装置示意图双芯光纤Michelson干涉计的研制中，先观测了双芯纤维在光谱仪上的光点，然后将LD的光注入到双芯纤维中，通过调整光学纤维的端部和显微部的定位，从而实现了双芯纤维的末端光场的分配。在此基础上，采用熔接法对单模和双模纤维进行熔合，并将其插入LD的一头进行再加工，通过一台纤维熔接器将其与一根单模纤维进行焊接，在焊接过程中，两根纤维的中心轴线交迭，使得两根纤维的核心与单模纤维的间距相同，见图3.2;将已熔结的单模和双芯纤维垂直置于氢氧火焰纤维的熔化吸收器上，焊接位置位于氢氧火焰喷嘴下方，通过拉锥机械的气动装置将LD光源与单模纤维连接，因为单模纤维和双芯纤维纤维之间的纤维间距很大，纤维之间的光学耦合效应接近于0，因此，激光光谱仪无法探测到双芯纤维的光场；用光纤熔接拉锥，开启拉锥器，点燃氢氧火焰喷射器，开始拉锥过程。在将纤维熔接点逐步拉伸为双圆锥时，单模纤维内部传输的光经锥区逐步向双芯纤维的两个核心区域聚集，双芯纤维末端的光场分布越来越明显，在锥区达到一定的高度后，可以观察到两个光斑的亮度变化。图3.3是在这个时刻，在光束分析器上所探测到的两个光导纤维末端的光场的分布，左边是一个三度的光强的光强分布图，右边是一个用于显示光能的光强测量的白点。在图3.4中，显示了一种单、双芯型纤维焊接接头的连接方式，试验拉伸的锥形区域的长度L是17.5毫米左右，而耦合区的损失是大约1dB。目前，以双芯纤维为核心的米歇尔逊干涉计已经研制成功。图3.3光束分析仪检测的双芯光纤出射光场图3.4SMF与TCF的耦合结构示意图为了使光纤FF-P干涉计的结构简单，使其进入光场的强度得到了提高。通过对光纤探头的分析，得到了在该过程中，双芯光学纤维芯与气室之间的光强度在0.036左右，而复合纤维干涉装置的传感特性是通过相位调制实现的，因此，在光导纤维末端I上的反射强度足以进行检测。采用波长1550纳米的ASE光源、与光源波长相匹配的光导纤维环状镜和光导纤维分光计，对制备的双芯型光纤米歇尔逊干涉计进行了光谱分析。图3.5是ASE的光谱分析，为了获得平坦的光谱线，需要将试验结果与光源频谱进行相减。在双芯光纤Michelson干涉仪中，双芯纤维具有两个纤维芯部的对称性和具有同样的折射率，而在同一纤维的长度下，平行光路上的光程差异将为0，而两个纤维之间的相位差异为0。在两个平行光路之间存在一定的相位差，造成干扰频谱，需要把双芯纤维缠绕在一起，增大两个纤维的长度和折射比，以便在测量的基准臂与接收端之间形成一个光程差，这时，双芯纤维米歇尔逊干涉器的干涉光谱就可以观测到。在图3.6中显示了实际检测到的双芯型米歇尔逊干涉器的干涉仪。由于采用双芯纤维缠绕，使得基准臂光路与信号臂光路之间存在着很大的光程差异，因此，在宽波段进入时，该波段会出现更细的波段间隔，如附图3.6所示。图3.5ASE光源光谱图Wavelength(nm)图3.6基于双芯光纤的集成式Michelson干涉仪的干涉光谱3.2非本征型光纤F-P干涉仪的设计制作在研制出一套以双芯纤维为核心的米歇尔逊干涉计之后，可以实现与非特征性FF-P干涉计的串行。此方案的应用温度是普通的周围环境，以防止周围的环境影响。光纤F-P干涉计采用了不受高温的非本征结构，采用了非固有的由纤维构成的非固有形状的F-P空穴。F-P腔体的制造有很多种方式，如激光打孔、毛细套管、毛细纤维焊接等。因为激光穿孔所需的仪器设备非常昂贵，所以在此复合纤维干涉仪的结构中，F-P空穴最初的设计和制造都采用了毛细管。采用光纤环形器将ASE光源与双核纤维Michelson干涉计相结合，再将双芯纤维的一端与一根单模纤维各从其两端插入一直径稍比纤维外直径稍大的毛细套管，环形装置的输出端与光纤光谱计相连；利用FFT光谱法观察F-P干扰时的低频干扰波峰数，调整光纤末端与单模纤维末端间距，以保证低频干扰波峰数的大小，并能清楚地分辨出不同的混合干扰谱，方便了试验的观察和观察察及数据的加工；双芯光纤，单模光纤，毛细套管采用粘接或熔接方式进行连接。然而，由于掺杂了毛细管和其它媒质，使得该非本征性F-P空洞将引入一些不确定性的因素，比如当F-P空穴热胀冷缩时，毛细管与粘接材料的热膨胀率差别，毛细管对弯矩测定精度的作用等。(a) (b)图3.7氢氟酸腐蚀前后的毛细管光纤截面在多次实验和实验后，我们决定采用采用在两个芯部的端面上直接熔合毛细纤维来制造F-P型腔。采用双芯和单模光纤对齐后进行焊接，使设计简单，提高了FP型腔的稳定性能。采用了两种纤维的Michelson干涉计和毛细纤维；单模光纤，光纤熔接机，显微镜，光纤切割机等。因为双芯型纤维的核心间隔是62.5微米，所以F-P型腔的直径必须大于62.5微米。采用氢氟酸对直径125微米、内径54.3微米的毛细管纤维进行了表面处理，获得了所需的F-P型腔体，而在图3.7A、B中，所述毛细管纤维在氢氟酸的作用下，其外径为100.5μm，内径为70.7μm，符合设计的要求。采用双芯光纤Michelson双芯光纤末端与已腐蚀过的纤维进行了焊接。因为腐蚀后的毛细管纤维杆很细，仅有16.3微米，因此，在焊接的时候，毛细纤维很可能会发生坍塌，因此必须人工调整焊丝的焊接方式，减少焊接电流，减少焊接的次数，使焊接后的纤维组织保持完整。采用南京基龙KL-300焊接设备，采用手工方式，具有40比特的预熔电流，120毫秒的预熔，50比特的焊接速度，800毫秒的焊接速度。图3.8显示了两根纤维和一根毛细纤维的熔合图像。双芯和毛细纤维的熔接末端是气室F-P腔的首个光学反射器I。图3.8双芯光纤与毛细管光纤的熔接图片图3.9显微镜下切割的F-P腔长该复合光纤干涉仪的检测试验选择1545nm-1585nm的混合干涉仪进行了信号的检测和解析，并通过对该波段F-P干涉法的条纹浓度进行了合理的调整，使得F-P与米歇尔逊的干涉具有很好的区别，从而可以很好地分辨出两种干扰的空间频谱。该波域中存在五个F-P干扰波峰，由宽频段F-P空洞的长度计算公式通过对F-P光场的分析，得出了F-P光腔长度为153.1pm。图3.10是F-P型腔体在显微镜下的真实切削。根据双芯纤维的直径之比，得到了F-P型腔的最大截面长度为Lf=153微米，与原设计的尺寸相当。利用一根单模纤维制成F-P腔体的反光表面II。为防止单模光纤SMF2内部的反向反射光会对该复合式干涉计的全频段造成的干扰，应尽可能地将其长度尽可能延长，以增大其内部的光损失，而实际选择的SMF2的长度是60cm。采用与TCF/COF工艺同样的熔合方式和熔合工艺条件下，将两种材料分别进行了焊接，焊接后的图像见图3.10。在F-P腔体中，毛细管和SMF2的熔接端部是第2个光学反射器平面II。目前已研制出一套一体化的Michelson-FP复合干涉计。图3.10与双芯光纤Michelson干涉仪串联的空气F-P腔4.光纤Michelson-FP复合型干涉仪的传感特性实验4.1弯曲传感特性测量在此基础上，建立了一种用于测量微米歇尔森-FP复合干涉测量系统的挠性测量系统。在3.4节中描述的感应装置中，纤维环状器的功能是将ASE的光线输入到干涉仪，并将其输出。在干涉计的输入端，一根单模光纤与环管的两个孔相连，一个封闭的耦合锥区是一个自由的，一个后面的耦合锥区（双芯光纤、毛细管光纤、F-P空腔和单模光纤），在一个由光纤夹持组构成的平台上，在双芯光纤和空气F-P空穴的连接处（也就是在图3.10中TCF/COF）上进行挠曲。试验平台的详细信息是：一套位于工作台的两端的纤维夹持器（Clamp）被用来对复合纤维干涉计进行安装，以避免在试验时由于纤维的扭转而对试验的结果产生不利的影响。在两个支架之间设置一个带有测量螺钉的下压力机构，该机构将弯曲的效果应用到纤维上。将干涉计放置在该试验台上，通过两个不同的光纤夹持器将TCF/COF熔接点的两边的双芯型和单型光纤进行固定，确保在两个支架的沟槽中埋设双芯型和单型光纤，并且TCF/COF焊接点位于两个支架之间。为了保证复合纤维干涉计在弯曲过程中受到的轴向压力是恒定的，也就是当弯曲时，复合型纤维干涉计的轴向张力可以被忽视，并将大约5克重量的重量挂在纤维固定架和支承设备之间的单模纤维上。在两个支架间放置12厘米的铁尺，正好将这一部分的光纤包起来。采用调节式测量螺杆，将其与尺面接触，精密调整TCF/COF接头的焊接处，以确保其与微螺旋的垂直方向直接接触。干涉计的变形是由调整测量微丝杠与尺间的距离来完成的。在调整测量螺旋线与测量尺之间的间距时，纤维表面的纤维会随测量值的变化而发生弯曲，同时，纤维光谱计上的合成光谱分析也会随之而动，并将其测量到的压力范围及相应的频谱资料进行了测量。在试验中，Z.选择的范围从0毫米到13.5毫米，步进0.5毫米。首先对0毫米的混合干涉仪进行了测量，然后用测微螺旋线每一行测量一次，直到13.5毫米。图4.1光纤Michelson-FP复合型干涉仪弯曲实验系统在实际的数据分析中，必须将其转化成复合纤维干涉计的曲度K，其变化规律为以下L是指钢尺半长（60毫米），也是干涉计的弯矩的一半。K和••之间的关系见表4.2。由该表可见，在/=60毫米的情况下，将复合纤维干涉计按下的距离正好等于钢的一半，这时，纤维的弯曲的独特性约为一个半圆形，如附图4.2所示，i在0-60毫米的区间。在i<13.5mm的区域，纤维的弯曲度与压缩的长度之间呈良好的线性关系，随着13.5mm<i<60mm，其曲线逐渐趋于平缓，且二者之间的关系不再是直线的，与微弯参量相比，复合干涉计的弯曲度是相当大的。图4.3是在测量L长度的情况下，干涉测量装置的弯矩作用的半长L为80mm;160毫米，200毫米，在标志点处i=13.5毫米。图4.3表明，从i到i之间的各个K-i关系的变化规律是良好的，随着i的持续增加，k与i之间的关系呈现出一个逐渐的变化。将公式（2至23）与该理论相联系，也就是△λM=CM△KM/(Nk0)，可以预见，在某一特定的曲率半径之内，对复合纤维干涉仪进行了弯曲检测。4I2cos^M)干涉条纹的移动与纤维下压力的距离i和纤维的弯曲曲率K之间存在着一定的线性相关性，而在K随i的增加时，其移动的幅度与i成了一条直线，而与K之间的线性变化则基本一致。图4.2光纤弯曲曲率K与光纤下压距离i间的关系曲线图4.3L长度不同时的K-t关系曲线对试验资料作了分析。图4.4是i在0毫米至13.5毫米的三个组合干涉频谱，i为0毫米；6.5毫米；13.5毫米。由该表可知，连续向复合纤维干涉计进行折弯时，其低频干扰带几乎没有改变，但其高频率的波形则有很大的改变，其整体的干涉波形变得非常复杂，难以发现其变化的规律。利用FFT和FFT等技术对需要的频谱进行分离。图4.5为i在0毫米至13.5毫米的区域中的五个组合干涉仪的FFT改变，i为0毫米，3.0毫米，6.5毫米，10.0毫米，13.5毫米。由该表可知，在连续的折弯中，复合干涉器的光学频率分量几乎没有变化，代表分量4I02cos(φF)干涉条纹信息的peak基本不发生变化，代表分量4I02cos(φM)干涉条纹信息的peak3信号的强度值发生了变化。图4.4集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪弯曲实验的复合干涉光谱图4.5弯曲实验复合干涉光谱的FFT变化结果选取peak1、peak3的空间频率进行滤波和FFT逆变换，得到4I02cos(φF)与4I02cos(φM)两分量的干涉条纹，如图4.6和图4.7所示。选取干涉条纹的某干涉谷进彳亍观察，图4.6结果显示在干涉仪不断弯曲的过程中，4I02cos(φF)的干涉条纹基本不发生变化，这与非本征型F-P腔的结构稳定性有关，其对弯曲作用不敏感。图4.7结果显示在干涉仪不断弯曲的过程中，4I02cos(φM)的干涉条纹发生近似规律的单向漂移。由于i单步变化时△λM较大,当遍历所有i取值范围的41；cos(伊_材)干涉条纹时，发现光谱重叠在一起，无法清晰显示干涉条纹的漂移规律，为了表达清晰，这里只展示了i取值为0mm-2mm的前五组4I02cos(φM)干涉条纹。图4.6弯曲实验空间滤波所得分量4I02cos(φF)的干涉条纹信息图4.7弯曲实验空间滤波所得分量4I02cos(φM)的干涉条纹信息由于复合纤维干涉计的弯折敏感性与其沿径向载荷的大小有关，而在弯矩作用的角度与其在平面之间的角度a(0.<a<90）之间的角度有较大差异，故在实践中，采用了以时为单位的干涉曲线传感特征的试验来进行比较。在该试验平台上，将TCF/COF熔接点端边的两根纤维（相应地调节COF/SMF熔接的另外一端的单模纤维）进行旋转，从而使两根纤维在同一水平面上与垂直测量的螺旋线之间的角度（也就是角度），试验结果是0°、45°、90°、135°。图4.8是四种不同的夹角下的两个纤维的直径方向的剖视图。这里，以0-180的数值计算，是在两个纤维芯部之间，计算出了一个从0到180度的数值。图4.8弯曲实验中双芯光纤径向受力截面示意图4.2温度传感特性测量采用恒温控制器对复合纤维干涉进行了温控试验，并对其进行了温控试验，并对其进行了测试。将干涉仪的组合件置于温度控制盒中，用纤维夹将其一端紧固，由光导纤维环状器将ASE宽频段的光谱线输出到干涉仪，由光导纤维光谱计将干涉仪的光谱线反射到干涉仪上。图4.9集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪温度实验系统根据实际使用中的环境温度区间，试验的温度为20~170℃，每一段的温度变化为10℃。对培养皿的温度进行调节，当培养皿内的温度与所设置的温度一致时，可以获取合成的干涉谱资料。为确保复合式干涉仪的温度测定精度，在将各试验温度升高到170℃后，再进行干涉仪的冷却试验，该试验的温度在20C到170℃之间，并在10℃左右时，将该混合干扰的频谱资料进行一次，直到气温下降到20℃为止。在20℃、80℃和120℃条件下，复合光纤干涉器的干涉仪的混合干涉器的干涉仪的混合干涉仪的干涉仪，从该表中可以看到，该干涉器的低频率干涉仪的干扰特性基本保持不变，而在高频率下，其高波干扰波形不稳定。图4.11是五套混合干涉仪在20~170℃之间的FFT分析。图4.10集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪温度实验的复合干涉光谱图4.11集成式光纤Michelson-FP复合型干涉仪温度实验的复合干涉光谱结论由于其本身的优势，在现实生活中有着广阔的用途，因此，在实现各种用途的同时，也在向全纤维方向发展；高精度、网络化等方面都在发展。基于全纤维的光纤微型和多用途的发展需要，设计了一种新型的光纤微型光纤-FP复合干涉计。完成的工作有：导出了一种新型的综合光纤Michelson-FP复合干涉仪的干涉仪，其干涉仪具有弯曲和应变双重参数的检测性能。从复合干涉中选取的两敏感分量分别为4I02cos(φM)和4I02cos(φF)，结果表明，这两种方法的干涉波的位移与曲线的曲率和微应变均呈显著的相关性。文章仍存在着一定的缺陷。比如，在模拟合成干涉仪时，由于未能对波导在光导中所产生的各种调制及效应进行精确而透彻的模拟，只能得到一个大致的模拟，缺乏足够的理论基础，从而降低了模拟的可靠性，从而导致本文未能得到复杂干涉仪的弯曲和变形。针对以上问题，必须在现有的研究基础上，结合有关的参考资料，进一步完善光学原理。参考文献[1]卢一鑫，杨璐娜.光纤传感器的应用现状及未来发展趋势[J].科技信息，2011(3):113-114P.[2]彭利标，田野，李冰玉，等.光纤传感器及其应用[J].电子设计工程，2014,22(21):189-192P.[3]李昕彤.干涉型光纤传感器实用中若干关键问题的研究[D].北京：清华大学,2003.[4]李川，张以谟，刘银根，等.全光纤白光干涉型光纤传感器[J].传感技术学报,2001(2):91-93P.[5]LoYL，LaiHY，WangWC.DevelopingstableopticalfiberrefractometersusingPMDIwithtwo-parallelFabry-Perots[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,2000,62(1):49-54P.[6]MarshallRH,NingYN,PalmerAW,etal.Simultaneousmeasureme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